耐磨帶敷焊質量可靠性論文

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論文關鍵詞：耐磨帶鉆具鐵基合金粉焊絲。

論文摘要：在深井超深井勘探過程中，由于徑向力、渦動、橫向振動等因素的存在，隨著鉆井時間的增長，鉆柱作用于套管內壁的側向力增大，導致套管和鉆具接頭磨損的問題越來越嚴重。造成鉆具耐磨帶失效的主要原因有地層研磨性、鉆桿的井下工況、耐磨材料選擇與敷焊工藝的影響。選擇合理的耐磨材料與敷焊工藝對解決鉆具耐磨帶失效問題非常重要。

Keyword：Wearproofgirdle、Drillingrig、Unalterablefoundationcompoundmetalpowder、Weldingwire。

Abstract：Belivinginthedeepwellultradeepwellprospectingprocess，Sinceradialdirectionforce、Eddyisstird、Elementssuchashorizontalvibrationandsoonbeing，Inthewakeofwelldrillingtimetheincrease，Theaugerpostwritingsisusedthecasinginsidewallcrossrangestrenuouslytobroaden，Itismoreandmoregravetocausecasinganddrillingrigtojointhewornoutproblem。Createthemainreasonofwearproofbriningfailureofdrillingrigtopossesslayerabrasivity、Thedrillpipeoperationalmodeundertheshaft、Wearproofstuffselectiontogetherwitheffectapplyingsolderer''''sskill。Itisverymuchsignificantagainstappliessolderer''''sskilltothewearproofgirdlefailureproblemofsettlementdrillingrigtochoosetherightfulwearproofstuff。

引言

石油鉆具接頭耐磨帶噴涂焊技術在世界石油企業中已經應用很多年了，最初目的是為保護鉆桿接頭，提高其耐磨性能，其效果也較好。在上世紀90年代，根據生產的需要，又提出了需要保護下井的套管，減少對其的損害，為油井的長期生產提供保障。現在則提出了兩方面的要求，不僅能保護鉆桿頭，延長其二次噴涂周期和使用壽命，而且能最大限度地保護好下井的套管，減少因套管磨損引起的泄漏事故帶來的損失。此外，隨著鉆井技術的進步，深井、超深井、從式井、大斜度井、水平井逐漸增多，不僅要達到在裸眼井中鉆進時，其耐磨性較好，而且在套管中鉆進時對套管磨損少的苛刻要求，對鉆具接頭的耐磨性提出了越來越多的要求，對目前的耐磨帶材料提出了更高的要求。因此，必須針對不同類型鉆井施工的需要慎重選擇和使用耐磨材料，才能適應不同類型鉆井生產的需要。

一、鉆具接頭偏磨和耐磨帶失效的原因

1、地層研磨性強

鉆桿在工作過程中，其外壁尤其是接頭部位要與井壁或套管接觸，承受劇烈的磨料磨損，特別是下部目的層段使用屏蔽暫堵鉆井液時，鉆桿工作在含砂多、粘度高、相對密度大，并且有一定腐蝕性的鉆井液中。因此鉆桿在承受磨料磨損的同時還承受沖蝕磨損，從磨損機理來說，鉆桿的磨損主要是顯微切削，同時兼有腐蝕作用。因此鉆桿在旋轉鉆井過程中，接頭外壁很容易發生磨料磨損失效。磨料磨損失效與敷焊材料的硬度和地層硬度的相對大小、鉆桿構件與井壁的相對運動速度、材料特性、載荷情況、表面粗糙度、溫度及潤滑等因素密切相關。分析認為地層研磨性強、長裸眼井身結構容易使鉆桿偏磨、耐磨帶失效幾率增加。

2、鉆桿井下工況影響

鉆桿在井內以轉盤的轉數按順時針方向繞自身軸線旋轉時，由于離心力的作用鉆桿接頭均有貼向井壁的可能，與井壁間產生摩擦力，整個彎曲的鉆柱各處接頭將會以各自所處的條件，以一定的轉速按反時針方向繞井眼軸線旋轉。反轉運動普遍存在，鉆桿在筒形井壁中反轉運動更多的是帶滑動的滾動，這是鉆桿接頭外徑和耐磨帶磨損的根本原因。鉆桿耐磨帶的磨損與井眼軌跡變化、井壁巖石性質和泥漿性能關系密切，反轉運動的直接后果是使鉆桿偏磨和磨損。鉆桿的井下旋轉的不定性、與井壁摩擦、碰撞、磨削的客觀存在必然影響著鉆桿偏磨及耐磨帶失效。反轉運動是不可避免的，反轉運動的存在使鉆桿在井下旋轉工況惡化而引起接頭偏磨和耐磨環失效。

二、耐磨材料的選擇及敷焊工藝

1、鉆具接頭外表面的磨損機理以顯微切削為主同時兼有腐蝕作用。對于這種磨損其基本對策是大幅度提高鉆具接頭工作面的硬度。一般接頭壽命約為管體壽命的幾分之一，如果在接頭外徑部分敷焊耐磨帶，可大幅度提高鉆具接頭的耐磨性，延長使用壽命。為了提高鉆具接頭的使用壽命，其外表面噴涂耐磨合金帶的方法在國內外已被廣泛采用。目前我國的鉆具耐磨帶敷焊材料主要以美國安科公司的100XT、300XT和國產金凌達的2-55、3-60焊絲以及鐵基自熔性合金粉Fe14、Fe90為主。

國內目前常用的鉆具耐磨帶敷焊材料表

2、應用等離子弧焊技術，采用具有較小的摩擦因數，且具有一定硬度(HRC52)的焊料施焊鉆具，不僅降低鉆具的旋轉阻力，增大鉆具扭矩，延長鉆具使用壽命，而且對套管也具有一定的保護作用。

2.1等離子弧粉末噴焊的工作原理

氬氣通過電磁閥和轉子流量計進入噴槍，在噴槍鎢陰極與水冷紫銅噴嘴之間借助高頻引燃非弧，在陰極與接頭之間，借助非弧過渡引燃轉弧。等離子弧粉末噴焊是利用氬氣等離子弧產生的熱量，在鉆桿接頭表面形成熔池，借助刮板式送粉器將合金粉末吹入電弧中，在弧柱中被預熱熔化，噴射到熔池內，隨著噴槍與接頭的相對轉動，合金熔池逐漸凝固，通過調節工藝參數，可在接頭上獲得需要的耐磨帶。采用鐵基粉類等離子噴涂堆焊耐磨帶，敷焊時不預熱，通過自動線輸送到室外。在冬季室內外溫差很大，焊后在鉆桿接頭的端部采用鋁一硅棉保溫套保溫，保溫套應該保持一直到鉆桿接頭的溫度下降到66°C以下為止，否則會接頭耐磨帶邊緣處有微小裂紋，在鉆進過程中發生刺穿事故。

2.2等離子噴焊技術參數的調整

電控操縱柜主要由氣路單元、計數器控制單元、可編程控制器單元和參數調節單元組成。送粉氣給送粉通道一定壓力，保證合金粉末暢通無阻地送到噴焊熔池內；離子氣通過氣管線進入噴槍，在間隙中電離產生火花。計數器用于控制噴焊耐磨帶的起止位置。可編程控制器單元是程控系統的核心，提供本系統的程檢、手動和自動控制程序。參數調節單元可對影響耐磨帶質量的參數進行調節。

耐磨帶接口可通過調節計數器數值和轉弧電流衰減旋紐進行控制，耐磨帶接口既不能存在間隙，也不能重焊太多。轉弧衰減電流調試成功后，計數器數值調到比1430大515，可得到光滑平整的接口。

耐磨帶寬度利用擺動機構控制。通過調節擺動器滑塊在偏心輪上的偏心距來改變擺幅，來獲得符合要求的焊縫，對于127mm鉆桿，擺幅調為3O—40mm。

耐磨帶厚度的控制是通過調節送粉電壓和轉動電壓。提高刮板式送粉器電機的電樞電壓增加送粉量，耐磨帶厚度增大，反之厚度減小。轉動電壓升高，卡盤轉速加快，可使耐磨帶厚度減小，反之厚度增大。對于127mm鉆桿，轉動電壓調為15V，送粉電壓調為2OV，可將耐磨帶厚度控制在2～3mm。

3、國產合金焊絲是一種新型的耐磨帶材料，與合金粉相比硬度高、耐磨性好，現在已經廣泛應用于各油田。這種材料敷焊的鉆桿接頭耐磨帶摩擦因數小，可以在鉆桿接頭與套管間形成摩擦副，不僅有效地保護鉆桿接頭和套管，而且降低了鉆具旋轉阻力，增大鉆桿的扭矩。它價格相對低廉，焊接工藝簡單，只要在傳統焊機的基礎上進行改造即可進行生產；焊時無需預熱，具有重復可焊性。在裸眼鉆井環境下，更有效地保護鉆桿接頭，減小磨損。

兩種工藝需要的設備存在不同點，等離子弧焊設備中兩臺電源和高頻柜將不能在送絲焊中使用。但是，在較長一段時間里，這兩種噴焊方式還將共存。因此，需在等離子弧焊設備的基礎上，進行部分改造，同時增加部分焊絲設備，能夠方便地進行兩種噴涂方式的轉換、銜接，以達到能分別滿足兩種噴涂工藝的要求。

3、1對等離子弧焊設備進行了部分改造：

1）、調整了夾緊鉆桿接頭裝置，并且具有了能夠在焊槍下旋轉鉆桿接頭的功能，把轉速限定在60-210秒/轉，而且可以微調；

2）、焊接設備能帶動焊槍自動擺動功能，擺頻為30-90次/分，擺幅15-40mm可調；

3）、焊槍垂直于鉆桿軸線，偏離中心5-40mm，保證焊接時焊槍處于上坡狀態，有利于焊接時觀察焊接質量；

4）、對冷卻水泵進行流量重新調節，能滿足新噴焊工藝需要。

3、2增加的設備有：

1）TKR-500自動氣保護焊機電源一臺；

2）自動送絲機一臺，速度可調，根據鉆桿旋轉速度和耐磨帶厚度，速度控制在6-12m/min之間，調節壓絲輪壓緊度適中，不能使焊絲變形，

3）風冷和水冷焊槍各一只；

4）、在兩種噴涂設備之間，增加了轉換裝置，可以在30分鐘內方便地完成轉換，銜接也很方便。

3、3設備改造后的性能：

1）具備粉末噴焊和送絲焊兩種功能，焊接方式可以互相轉換；

2）可以應用各種型號、品牌的焊絲；

3）能根據用戶要求，焊出合格的耐磨帶。

3、4、技術參數調整

合金焊絲是比較新的工藝，需要選擇合適的焊絲、以及對焊接電壓與電流大小、轉動電壓、轉動速度、擺動電壓、擺動寬度、氬氣流量、導電嘴距工件高度、送絲速度等各種參數進行對比調試，以達到最佳效果。

其中，焊接電流、焊接電壓、轉動電壓、轉動速度的大小對焊絲的融化速度和成型質量有決定性影響，如果焊接電流、焊接電壓參數值過大，超過320A、32V以上，則會使焊絲融化速度過快，焊絲散熱不均勻，來不及均勻敷設在接頭表面，從而使形成的耐磨帶呈現起伏不平的連續小堆狀，不光滑，外觀質量差；而低于240A、25V，則會使焊絲融化速度過慢，導致散熱速度快，在融化后的焊絲未均勻鋪開，達到預定的形狀前就固定成型，呈現不連續的多點狀，使外觀不均勻、不整齊；

而轉動電壓和轉動速度與鉆桿的轉動速度及融化后的焊絲在接頭上的均勻性、光滑性密切相關，超過12米/分則會使融化后的焊絲在接頭上呈現連續的正（余）弦線狀，而低于6米/分則會幾乎成平行線，都是不符合要求的。因而，在6米/分—12米/分之間送絲速度能噴焊出較好的效果。采用的速度是9米/分，達到了最佳效果。導電嘴距鉆桿接頭的高度十分關鍵，過高會造成電流焊接減小，焊絲與接頭本體融化速度慢，與鉆桿接頭無法融合到一起，使焊帶的焊接質量無法保證；過低使焊接電流過大，使焊絲在導電嘴內部融斷，直接附著在導電嘴內，并在其內形成閉和回路，使導電嘴在很短的時間內燒毀，使噴焊作業無法繼續進行。通過多次調試，獲得了最佳的導電嘴距工件高度15－18cm，能使焊絲噴焊質量達到最佳效果。

而擺動電壓、擺動寬度、氬氣流量與常規噴粉焊接基本一致，不需要做較大的調整就可以滿足正常的使用要求。

此外，在兩種噴焊方式的轉換過程中，不需要進行大量的調試工作，在30分鐘內即可完成，投入正常工作。

在室外溫度在-5℃寒冷條件下進行普通的鉆桿接頭等離子噴焊后，為避免焊后耐磨帶內的焊接內應力，防止焊后裂紋產生，需要進行保溫處理。采取的保溫措施是用石棉保溫套戴在耐磨帶上，直到降至室溫為止。

國產的金達凌EFD-2-55(相當于ARCNO200XT)系列產品，在研發過程中已經充分考慮到了為達到在國內各種環境溫度下焊后不出現應力裂紋的要求，所以對焊絲配方進行了專門的研究、攻關，確保了焊后不需要采取特殊的保溫措施，僅僅是在焊后進行室內緩冷，達到室溫即可投入使用。而對接頭材質為AISI4145HT、1340HT來講才需要采取非常嚴格的保溫措施，如石棉纏繞耐磨帶等。

金達凌EFD-2-55耐磨帶經過試驗和現場使用證明，與鋼質鉆桿接頭相比，套管磨損減少86％；與經過碳化鎢處理的鉆桿接頭相比，套管磨損降低76％；摩擦因數的減小，使鉆具旋轉阻力、扭矩增大30％，節省燃料消耗10％；在裸眼鉆井環境下，更有效地保護鉆桿接頭，減小磨損。

4.4、安科耐磨帶

ARNCO公司推出新耐磨帶材料ARNCO200XT，敷焊ARNCO2O0XT的鉆桿不僅降低了鉆桿接頭本身的磨損，還有效地降低了套管的磨損。這種焊絲是一種低摩擦因數的碳化鉻鐵合金材料，該化合物具有較小的金屬和金屬之間的磨損率，適度偏高的耐磨性能。ARNCO200XT與碳化鎢耐磨帶相比可使套管磨損率下降75～85％。既能有效地保護套管，又能延長鉆桿接頭的使用壽命。另外，碳化鎢耐磨帶為了防止其過度地磨損套管，焊接要求高，而敷焊ARNCO200XT耐磨帶后的鉆桿接頭外圓直徑大于接頭外圓，避免了接頭與井壁或套管直接摩擦，且不必經過特殊熱處理，就能夠在原來的耐磨帶上敷焊新的ARNCO200XT耐磨帶，能方便修復磨損的耐磨帶。使用ARNCO200XT耐磨帶的鉆桿與井壁或套管摩擦因數降低，大大減小了阻力和扭矩，同時降低了轉盤的能耗。迄今為止，該技術已經在世界各地得到了應用，在深探井、特殊井技術套管防磨方面起到了很好的作用。隨后，又開發出ARNCO1O0XT鉆桿接頭耐磨帶材料，ARNCO100XT是對ARNC200XT的改進。因ARNCO200XT在敷焊過程中易產生微裂紋，雖然在使用過程中沒有影響，但重新敷焊時則要將有裂紋的部分全部鏟掉。而改進的ARNCO1OOXT耐磨帶不僅對套管磨損降為最低，而且在裸眼井中，它的耐磨性與碳化鎢相當，提高鉆桿接頭壽命300%；同時保護套管與鉆桿接頭，并可在原先殘存的碳化鎢耐磨帶上繼續加焊100XT；可用于新、舊不同尺寸的各種鉆桿工具。在美國權威機構MAUREENGI—NEEDEA一42套管磨損研究中證明，ARNCO耐磨帶技術既可以用于保護鉆桿接頭，延長其壽命，也能保護套管，減小磨損。實踐證明，以盡量減少套管磨損為主，允許鉆桿接頭耐磨帶適度磨損的材料設計原理是科學的。

2003年初安科公司推出了“第3代”產品300XT鉆桿接頭耐磨帶。這種耐磨帶不同于早期的100XT和200XT耐磨帶，屬于無鉻金屬的鐵基合金，含有鎳、硼、鈮等元素，并有一些其他的合金成分，能形成很好的熔池效果，特別適應于在極度研磨的裸眼地層鉆進。能將套管磨損狀態降至最低程度；以耐磨帶的磨損代替了鉆桿接頭和套管的磨損，并在裸眼井鉆進時的抗磨效果幾乎等同于碳化鎢，確保鉆桿接頭和套管之間的理想摩擦和均衡保護，采取高度為2mm“凸起”堆焊方式，使摩擦由耐磨帶負擔，并且300XT可以堆焊在過去原有的100XT和一些其他公司出產的耐磨帶之上；耐磨壽命長，大大減少了起下鉆、重新修焊和往返運輸的時間及成本。

結論

1、等離子弧噴焊的弧柱穩定，熱量集中，熱能利用率高；可控性好，能控制熱量過渡，沖淡率低；接近單絲自動焊，熔敷率高。它敷焊熔深小、無夾渣、不易產生裂紋和氣孔。但是Fe14鐵基粉耐磨帶有明顯的裂紋、咬邊現象，使用壽命不如合金焊絲。主要原因是耐磨材料偏軟，較高碳含量致使涂層組織中彌散分布的碳化物、硼化物硬質相的過共晶萊氏體等碳冷裂，敷焊材料沒有針對長裸眼井身結構、地層的強研磨性的具體情況。

2、國產合金焊絲是一種新型的耐磨帶材料，與合金粉相比硬度相當、耐磨性更好，現在已經廣泛應用于各油田。這種材料敷焊的鉆桿接頭耐磨帶摩擦因數小，可以在鉆桿接頭與套管間形成摩擦副，不僅有效地保護鉆桿接頭和套管，而且降低了鉆具旋轉阻力，增大鉆桿的扭矩。

3、安科100XT和安科300XT鉆桿接頭耐磨帶，具有超級優越性能，和野外適用性（幾乎可以繼續加焊在任何原有的耐磨帶上），可以在保護鉆桿接頭的同時，保護石油套管不被磨損。也特別能夠適應于在極度研磨的裸眼地層鉆進。我國出口的石油鉆桿，和加重鉆桿，也大多加焊了安科技術公司的耐磨材料。

從性能價格對比，鐵基粉類價格偏低，進口焊絲價格偏高，各油田企業難以承受，國產焊絲價格相對低，焊接工藝簡單，焊件無需預熱，焊后具有重復可焊性，減少了重新修焊和往返、運輸的時間及成本。